基于LQR設(shè)計(jì)ACC控制器并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真

ACC自適應(yīng)巡航控制是經(jīng)典巡航控制的擴(kuò)展，在現(xiàn)代車(chē)輛中廣泛使用，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)期初主要應(yīng)用于飛機(jī)的巡航行駛中，隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)階段ACC功能被廣泛用于商用車(chē)和卡車(chē)中。

自適應(yīng)巡航控制（ACC）系統(tǒng)又稱(chēng)主動(dòng)巡航控制系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)定速巡航控制基礎(chǔ)上結(jié)合了車(chē)距保持功能，利用車(chē)載傳感器探測(cè)前方行駛環(huán)境，通過(guò)控制節(jié)氣門(mén)和制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整車(chē)速，提高駕駛舒適性和安全性。

ACC系統(tǒng)由環(huán)境感知、控制決策、底層執(zhí)行和人機(jī)交互四個(gè)基礎(chǔ)模塊組成。感知模塊由毫米波雷達(dá)、攝像頭等傳感器組成，通過(guò)雷達(dá)和攝像頭數(shù)據(jù)融合，感知周邊障礙物信息以及可通行區(qū)域信息；控制決策根據(jù)感知信息，決策所需要的控制指令，向底層執(zhí)行模塊發(fā)出指令，控制車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)完成自適應(yīng)跟車(chē)和自動(dòng)緊急剎車(chē)。

ACC系統(tǒng)架構(gòu)

ACC分為巡航和跟車(chē)模式，巡航模式的控制目標(biāo)比較明確且單一，即以達(dá)到駕駛?cè)藛T所設(shè)定需要達(dá)到的速度，并以預(yù)設(shè)速度穩(wěn)定勻速行駛為最終目的；跟車(chē)模式的控制趨于多元化、精細(xì)化，增加了ACC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，也是眾多學(xué)者目前研究的重點(diǎn)對(duì)象。

ACC系統(tǒng)跟車(chē)模式控制形式包括直接式控制和分層控制，直接式控制通過(guò)傳感器獲得的信息由決策算法直接計(jì)算出節(jié)氣門(mén)開(kāi)度或者制動(dòng)力，從而控制車(chē)輛行駛；分層控制包含上層控制和下層控制，即決策層和控制層，決策層根據(jù)獲得的周?chē)畔⒑托熊?chē)狀態(tài)信息結(jié)合間距策略得到期望加速度，并將其作用于控制層，控制層的作用則是通過(guò)加速度計(jì)算出節(jié)氣門(mén)開(kāi)度或者制動(dòng)力來(lái)控制車(chē)輛按照期望間距行駛。目前多采用分層控制，抗干擾能力強(qiáng)，便于調(diào)整參數(shù)和系統(tǒng)調(diào)試。

圖2

ACC主要功能作用

1.代替駕駛員進(jìn)行操作，減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)和失誤操作幾率；

2.提高駕駛舒適性，減少駕駛員的疲勞感，從而減少交通事故的發(fā)生，提高行車(chē)安全性；

3.減少駕駛員因?yàn)樽⒁饬Σ患幸鸬幕艁y加減速；

4.提前設(shè)定好行車(chē)的安全時(shí)距離，提高行車(chē)道路的利用率，緩解交通壓力。

ACC主要控制算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

ACC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

1.?彎道的目標(biāo)誤報(bào)和漏報(bào)

在彎道處，傳感器檢測(cè)結(jié)果誤把彎道處其他車(chē)道的車(chē)輛當(dāng)成目標(biāo)，做出減速的操作；或者是在同一車(chē)道線(xiàn)內(nèi)，傳感器卻未識(shí)別到彎道處的車(chē)輛，而出現(xiàn)誤加速的情況。實(shí)際工程情況一般出現(xiàn)在掉頭，拐彎的時(shí)候，突然加速或是減速。

圖3

2.?舒適性與安全性的兼顧

車(chē)輛在本車(chē)道正常行駛時(shí)，其他車(chē)輛突然變道至本車(chē)道前方，出現(xiàn)在ACC目標(biāo)檢測(cè)范圍內(nèi)，導(dǎo)致車(chē)輛突然減速或剎車(chē)；本車(chē)輛換道過(guò)程中，ACC前方參照目標(biāo)更改，導(dǎo)致突然加速再減速的情況。這在實(shí)際駕駛復(fù)雜的加塞交通情況下不停地出現(xiàn)剎車(chē)/減速，會(huì)極大地影響駕駛的的安全性和舒適性。（參照?qǐng)D3難點(diǎn)2）

在實(shí)際設(shè)計(jì)ACC系統(tǒng)時(shí)就需要考慮實(shí)際的工況因素，考慮車(chē)輛切入與切出的實(shí)際交通情況以及車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡的預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)速度設(shè)置問(wèn)題，來(lái)設(shè)計(jì)ACC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛自適應(yīng)巡航的智能輔助功能。

ACC的主要控制算法

ACC系統(tǒng)主要控制算法有PID控制、最優(yōu)控制、滑膜控制、模糊控制和模型預(yù)測(cè)控制。

PID控制是經(jīng)典的控制算法之一。是工程中應(yīng)用最成熟的，也是使用最廣的的控制器，在ACC系統(tǒng)定速巡航模式和跟車(chē)模式方面都有研究。

最優(yōu)控制理論，在滿(mǎn)足一定約束條件下尋找最優(yōu)控制律，使目標(biāo)函數(shù)取極大值或極小值。在ACC的設(shè)計(jì)中需要綜合考慮安全性、跟車(chē)性等多個(gè)相互矛盾的控制目標(biāo)所組成的目標(biāo)函數(shù)，以及目標(biāo)函數(shù)在考慮間距、車(chē)輛本身?xiàng)l件等約束下求得的最優(yōu)控制率，是典型的最優(yōu)控制問(wèn)題。本次課程設(shè)計(jì)ACC控制器也是基于最優(yōu)控制LQR算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

滑膜控制，具有靈活、響應(yīng)快、對(duì)參數(shù)變化和干擾不靈敏等特點(diǎn)，是一類(lèi)控制不連續(xù)的非線(xiàn)性控制。SMC對(duì)于解決ACC系統(tǒng)的干擾、系統(tǒng)時(shí)滯等問(wèn)題有重要意義。

模糊控制，不需要精確的模型，是將多年操作經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為模糊規(guī)則，通過(guò)將輸入的信號(hào)進(jìn)行模糊處理作為系統(tǒng)的輸入，以模糊規(guī)則作為參考，利用系統(tǒng)輸入完成模糊推理，進(jìn)行模糊處理作為系統(tǒng)輸出。

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）由于其能夠采用加權(quán)的辦法很好解決相互矛盾的控制目標(biāo)，成為ACC中較為主流的控制算法。本次課程也會(huì)補(bǔ)充基于MPC設(shè)計(jì)ACC學(xué)習(xí)。

編輯：黃飛

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